Повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения пригородных электропоездов постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Современные технологии - транспорту

63

В связи с этим разрабатывается постановка задачи и методика обоснования величины технологического резерва локомотивов на станциях смены видов тяги и родов тока на основе выполнения технико-экономических расчетов и сопоставлений вариантов обеспечения поездов локомотивами на таких станциях как метода оперативного диспетчерского регулирования.

Библиографический список

1. Повышение надежности информационных технологий пропуска поездов на станциях сме-

ны видов тяги и родов тока транспортных коридоров / Г. М. Грошев, А. Г. Котенко, А. Р. Норбо-ев // Интеллектуальные системы на транспорте : материалы Ш междунар. науч.-практич. конф. «Интеллект Транс-2013». - Санкт-Петербург : ПГУПС, 2013. - С. 218-223.

2. Инструкция по оперативному планированию поездной и грузовой работы в ОАО «РЖД» / Утв. распоряжением от 16 июля 2012 г. № 1415 р.

3. Моделирование : задачи, задания, тесты / Т. И. Алиев, Л. А. Муравьева-Витковская, В. В. Соснин. - Санкт-Петербург : НИУ ИТМО, 2011. -197 с.

УДК 621.333.41

А. М. Евстафьев, А. П. Зеленченко, В. М. Мищенко

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ПРИГОРОДНЫХ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В статье обоснована целесообразность расширения скоростного диапазона рекуперативного торможения пригородных электропоездов постоянного тока, оборудованных двигателями последовательного возбуждения. Доказано, что сочетание традиционного рекуперативного торможения в зоне высоких скоростей и импульсного рекуперативного торможения в зоне низких скоростей позволяет получить наилучшие тягово-энергетические показатели системы торможения. Предложен алгоритм управления процессом торможения в случае реализации сочетания традиционной и импульсной рекуперации. Приведено схемотехническое решение, позволяющее реализовать предложенный вариант рекуперативного торможения.

энергоэффективность, рекуперативное торможение, импульсный преобразователь.

Введение

Энергосберегающие технологии на тяговом подвижном составе являются одним из наиболее приоритетных направлений для развития железнодорожного транспорта, а также снижения темпов роста стоимости тарифов на пригородные перевозки.

1 Состояние вопроса и постановка задач

В результате многолетних исследований в нашей стране была разработана оригинальная система рекуперативного торможения для пригородных электропоездов постоянного тока.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3

64

Современные технологии - транспорту

Система включает в себя четыре тяговых двигателя, соединённых последовательно, возбудитель, контакторное оборудование и реостаты.

Впервые эта система была реализована на электропоездах ЭР6 и ЭР10, а в 1969 г. началось производство электропоездов ЭР22, ЭР22 М и ЭР22 В. В дальнейшем эта схема была использована на электропоездах ЭР2 Р, ЭР2 Т, ЭТ2 М и ЭД4 М [1]. Силовая схема этих электропоездов обеспечивает рекуперативное торможение при независимом возбуждении тяговых двигателей в диапазоне от 130 км/ч до 50-45 км/ч, реостатное торможение с самовозбуждением тяговых двигателей от скорости 50-45 км/ч до 10-7 км/ч. Предусмотрено электропневматическое дотормаживание от скорости 10-7 км/ч до полной остановки электропоезда.

Минимальная скорость традиционной рекуперации определяется свойствами тяговых электродвигателей, мощностью возбудителя и может быть рассчитана по выражению

V

т.шт.тр.

U +1т * Rjp

CE ‘ Фшах

(1)

где U - напряжение контактной сети; IT - тормозной ток, RTp - сопротивление цепи тормозного тока при традиционной рекуперации, СЕ - постоянная тягового электродвигателя, Ф - максимальное значение магнитного по-

шах

тока полюсов электродвигателя. Например, для электропоездов ЭР2 Р V . = 50 км/ч.

Однако выполненные в последнее время исследования на Санкт-Петербургском железнодорожном узле показали: основной диапазон

скоростей начала торможения электропоездов приходится на скорости 50-80 км/ч; для плавной остановки электропоезда машинисты начинают тормозить в начале платформы со скорости не выше 80-90 км/ч; количество торможений n в диапазоне скоростей ниже 50 км/ч может составлять свыше 40 % от общего числа торможений (см. таблицу, рис. 1).

Расчеты показывают, что расширение диапазона рекуперативного торможения электропоезда ЭР2 Р до 10 км/ч при годовом пробеге 150 000 км и вероятности осуществления рекуперативного торможения 20 % позволяет сократить расход энергии на движение на 4 %. Для решения проблемы расширения диапазона рекуперативного торможения пригородных электропоездов серий ЭР2 Р, ЭР2 Т, ЭТ2 М и ЭД4 М до 10 км/ч необходимо: обосновать принципы построения системы рекуперативного торможения; предложить алгоритм управления процессом рекуперативного торможения; разработать схемотехническое решение, позволяющее реализовать принципиальные идеи организации работы системы рекуперативного торможения.

2 Обоснование принципов построения системы рекуперативного торможения

Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки систем регулирования пригородных электропоездов постоянного тока показывает, что радикальным путем улучшения их тягово-энергетических показателей является применение систем импульсного регулирования для режимов тяги и торможения, кото-

Распределение скоростей начала торможения на участке Санкт-Петербург - Приозерск

V, км/ч т 0- 10 10- 20 20- 30 30- 40 40- 50 50- 60 60- 70 70- 80 80- 90 90- 100 100- 110

n, тор./сутки 4 5 7 12 14 18 20 12 5 3 1

n, % 3,9 4,9 6,9 11,8 13,8 17,8 19,8 11,8 4,9 2,9 0,9

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

65

n

Рис. 1. График распределения скоростей начала торможения на участке Санкт-Петербург - Приозерск

рые позволяют комплексно повысить тяговые и энергетические показатели [2].

При этом необходимо также выбирать оптимальное решение, обеспечивающее повышенный тягово-энергетический эффект.

В связи с этим следует отметить, что устойчивое импульсное регулирование при рекуперации возможно лишь в случае, если сумма электродвижущих сил тяговых электродвигателей ЕЕ за вычетом падений напряжения в их цепи ниже напряжения контактной сети U. Выполнение этого условия требует более глубокого ослабления возбуждения по сравнению с традиционной рекуперацией при той же скорости.

Для сравнения свойств систем рекуперативного торможения использованы два показателя: разность тормозных сил и отношение токов рекуперации.

Разность тормозных сил при традиционной (Тр) и импульсной (И) рекуперации определяется на основании классических уравнений:

CE ‘ ФТр ‘ VT = U + IT ‘ RTp; (2)

CE ‘ ФИ -VT _ U(1 X) + IT ‘ *И, (3)

где VT - скорость торможения; CE - машинная постоянная; ФТр, ФИ - магнитный поток при традиционный и импульсной рекуперации, соответственно; IT - тормозной ток; ЯИ - сопротивление цепи тормозного тока при им-

T

пульсной рекуперации; X = - коэффици-

ент заполнения импульсного преобразователя; TE - время открытого состояния; Т - период управления.

Вычитая уравнение (3) из (2), получим

CE ‘ VT (ФТр ФИ ) _ = U -X- 1т(RTp — ^И)-

Из уравнения (4) имеем:

(фтр - ФИ )

U -X — Iт • (R-тр Ce -Vt

*И )

(5)

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3

66

Современные технологии - транспорту

Умножив левую и правую части уравне-

ния (5) на

CE '

П

получим уравнение, левая

часть которого представляет собой разность тормозных сил при традиционной и импульсной рекуперации:

AB =

(U-X-Iт(RTp -RK))• I-vt-П

(6)

где п - коэффициент полезного действия.

При RТр = RH выражение (6) приобретает вид

AB =

U • IT-X vt-П

(7)

Из формулы (7) следует, что при равных токах электродвигателей тормозная сила при традиционной рекуперации больше, чем при импульсной.

Энергетические показатели систем торможения можно характеризовать с помощью отношения токов рекуперации 1р. При традиционной рекуперации имеет место равенство

1р.к= It , (8)

а при импульсной

3 Разработка алгоритма управления процессов рекуперативного торможения

Режим рекуперативного торможения электропоезда разделен на две зоны: традиционное рекуперативное торможение при скорости 130-50 км/ч; импульсное рекуперативное торможение при скорости 50-10 км/ч.

Для реализации рекуперативного торможения разработан алгоритм управления (рис. 2). При скоростях торможения 130-50 км/ч для поддержания постоянной величины тормозного тока IT = const по мере снижения скорости увеличивается ток возбуждения IB = var. При достижении током возбуждения значения I, что соответствует скорости торможения VT1, например, для электропоезда ЭР2 Р IB1 = 250 А, VT1 = 50 км/ч, система управления формирует сигнал на разрешение работы импульсного преобразователя.

При скоростях торможения 50-10 км/ч поддержание величины тормозного тока IT = const по мере снижения скорости осуществляется за счет увеличения коэффициента заполнения X импульсного преобразователя. При этом ток возбуждения равен IB = IB1 = const. На электропоезде предусмотрено электропневматическое торможение при скоростях ниже 10 км/ч.

!р.и.= Iт (1 -X).

Тогда отношение этих токов

(9) 4 Разработка схемотехнического

решения системы рекуперативного торможения

р к. _

р.и.

1

(1-X)

(10)

Соотношение (10) показывает, что за одинаковый промежуток времени система традиционной рекуперации отдаст в контактную сеть в (1 - X) раза больше энергии, чем импульсная система, поэтому при проектировании системы торможения целесообразно применить сочетание традиционной рекуперации при высоких скоростях торможения до 50 км/ч и импульсной - при более низких скоростях.

Для решения поставленной задачи в подвагонном пространстве моторного вагона на место снимаемого контакторного оборудования (силового контроллера и др.) устанавливается двухфазная система импульсного регулирования напряжения, которая включает в себя импульсные преобразователи VS1, VS2, выполненные на IGPT-транзисторах, тиристоры VS3, VS4, диоды VD1, VD2, сглаживающие реакторы СР1, СР2 и входной двухзвенный индуктивно-ёмкостной фильтр (Дрф1, Дрф2,

СфП Сф2) (рис. 3).

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

67

Рис. 2. Диаграмма, иллюстрирующая алгоритм управления системой рекуперативного торможения

Каждая фаза системы работает при постоянной частоте регулирования 400 Гц. При этом управление фаз сдвинуто на половину периода управления, что обеспечивает отдачу энергии при импульсной рекуперации на входной фильтр с частотой 800 Гц.

Расчет параметров фильтра выполнен исходя из допустимой пульсации тока контактной сети 200 мА. При этом получены следующие

значения: = C^2 = 320 ■ I06 ф, Дрф! = Дрф2 =

= 610-3 Гн.

Рекуперативное торможение осуществляется на всем диапазоне скоростей при независимом возбуждении тяговых двигателей от штатного возбудителя УВВ.

При реализации традиционного рекуперативного торможения собирается контур тока рекуперации: (-), контактор защиты ВЗТ, датчик тока якоря ДТЯ, якоря тяговых двигателей М4-М1, сглаживающий реактор СР, диоды VD1, VD2, входной фильтр, контактор ЛК, быстродействующий выключатель БВ, (+) контактная сеть.

Одновременно собирается контур тока возбуждения IB: (+) возбудителя УВВ, контактор КОВ, обмотки возбуждения ОВ1-ОВ4, датчик тока возбуждения ДТВ, (-) возбудителя УВВ.

Осуществление импульсной рекуперации рассмотрим на примере одной фазы. При включенном импульсном преобразователе VS1 образуется контур нарастания тормозного тока: (+) якорей двигателей М1-М4, сглаживающий реактор СР1, импульсный преобразователь VS1, датчик тока якоря ДТЯ, (-) якорей двигателей М1-М4.

На интервале времени выключенного состояния преобразователя VS1 образуется контур спадания тормозного тока 1Т: (-), контактор защиты ВЗТ, датчик тока якоря ДТЯ, якоря двигателей М4-М1, реактор сглаживающий СР1, диод VD1, входной фильтр, контактор ЛК, быстродействующий выключатель БВ, (+) контактная сеть.

Таким образом, отдача энергии при импульсной рекуперации реализуется только на интервале спадания тормозного тока.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3

68

Современные технологии - транспорту

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

69

При отсутствии потребителя электроэнергии в контактной сети включается тиристор VS3 и реализуется процесс замещающего реостатного торможения на резистор R ,.

Также следует отметить, что импульсные преобразователи VS1 и VS2 используются и в режиме тяги, что дополнительно позволяет повысить электроэффективность электропоезда за счет отсутствия потерь энергии в пусковых реостатах.

Заключение

1. При модернизации пригородных электропоездов постоянного тока целесообразно применять системы импульсного регулирования, позволяющие реализовать безреостат-

ный пуск и рекуперативное торможение до 10 км/ч.

2. Применение сочетания традиционного рекуперативного торможения при высоких скоростях и импульсного при низких позволяет получить наилучшие тягово-энергетические показатели системы торможения электропоезда.

Библиографический список

1. Электропоезда постоянного тока ЭД2 Т, ЭТ2 М, ЭД4 М, ЭР2 Т, ЭТ2 / под ред. Д. В. Пегова. - Москва : Центр Коммерческих Разработок, 2008. - 192 с. : табл., ил.

2. Энергосберегающее оборудование электропоездов / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев и др. // Локомотив. - 2007. - № 1. - С. 3.

УДК 656.257+681.5.075 Д. В. Ефанов, А. А. Блюдов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДАТЧИКОВ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СТРЕЛОК

Рассматриваются возможности повышения надежности датчиков контроля положения железнодорожных стрелок (ДСТ) в системе микропроцессорной централизации стрелок и сигналов МПЦ-МПК. Описывается структура ДСТ, принципы его работы, а также меры обеспечения безопасности его функционирования. Указано место помехоустойчивого кодирования в процессе получения ответственной контрольной информации, а также недостатки применяемого вида кодирования. Предлагается использование модульно-модифицированного кода Бергера для исключения сбоев в управлении удаленными стрелками. Доказана целесообразность выбора данного варианта кодирования для работы в системе управления движением поездов.

управление движением на станциях; МПЦ-МПК; железнодорожная стрелка; датчик стрелки; код с суммированием.

Введение

Железнодорожная автоматика и телемеханика (ЖАТ) представляет собой важную от-

расль техники, особенно в эпоху повышения скоростей перемещения грузов и пассажиров [1]. Именно устройства и системы ЖАТ являются последними звеньями в обеспечении

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3